Un avantage important de l’IRM par rapport à la radiographie est la capacité de la première à visualiser directement le cartilage et les autres tissus articulaires. L’IRM est un outil non invasif puissant pour détecter les lésions du cartilage et pour surveiller les effets des traitements conservateurs et chirurgicaux . D’autres caractéristiques de l’arthrose, comme les lésions de la moelle osseuse, les lésions méniscales et la synovite, peuvent être visualisées et évaluées simultanément (figure 2), ce qui permet d’étudier les facteurs de risque potentiels de l’arthrose et les mécanismes du processus pathologique de l’arthrose. Les techniques d’IRM utilisées pour l’évaluation du cartilage peuvent être divisées globalement en deux catégories : l’évaluation morphologique et l’évaluation de la composition .
Évaluation morphologique
Les techniques d’IRM pour l’évaluation morphologique du cartilage articulaire du genou fournissent des informations précises sur la perte de cartilage focale ou diffuse, partielle ou totale . Dans la recherche clinique, en particulier dans les études sur l’arthrose du genou, l’évaluation morphologique du cartilage par IRM est effectuée en utilisant des méthodes de notation semi-quantitatives, telles que le Whole Organ Magnetic Resonance Imaging Score (WORMS) , le Boston Leeds Osteoarthritis Knee Score (BLOKS) et le Knee Osteoarthritis Scoring System (KOSS) . Par exemple, dans le WORMS, le signal et la morphologie du cartilage sont notés sur une échelle de 0 à 6 (c’est-à-dire 0, 1, 2, 2,5, 3, 4, 5 et 6, 0 étant normal et 6 étant une perte diffuse de l’épaisseur totale) dans 14 régions de la surface articulaire du genou. Les autres méthodes utilisent des approches semi-quantitatives similaires, et les détails peuvent être trouvés dans les publications originales. D’excellentes données de fiabilité ont été publiées pour les trois systèmes de notation. En outre, un nouveau système de notation (appelé Magnetic Resonance Imaging Osteoarthritis Knee Score, ou MOAKS) a été développé pour maximiser les avantages et réduire les inconvénients des systèmes de notation existants .
Ces méthodes semi-quantitatives évaluent les caractéristiques morphologiques du cartilage articulaire en conjonction avec celles d’autres structures intra- et périarticulaires (par exemple, l’os sous-chondral, les ménisques, les ostéophytes et la synovie) afin d’établir les facteurs de risque pour les symptômes et la progression structurelle de la maladie. Ces caractéristiques sont également utilisées comme mesures de résultats, et le cartilage est le plus couramment appliqué . En utilisant la méthode WORMS, Roemer et ses collègues ont montré que, chez les participants n’ayant pas ou peu de lésions cartilagineuses de base, un indice de masse corporelle élevé, des lésions méniscales, une synovite ou un épanchement ou la présence de toute lésion grave de base décrite par IRM est fortement associée à un risque accru de perte rapide de cartilage.
Crema et ses collègues ont récemment résumé les détails des techniques d’IRM actuellement disponibles pour l’évaluation morphologique (c’est-à-dire les séquences conventionnelles d’écho de spin (SE) et d’écho à rappel de gradient (GRE), les séquences d’écho de spin rapide (FSE) et les séquences SE et GRE tridimensionnelles (3D) plus avancées). Chaque technique a ses points forts et ses limites, et le médecin ou le chercheur doit les prendre soigneusement en compte lorsqu’il choisit les techniques appropriées pour une étude particulière.
L’analyse quantitative de la morphologie du cartilage exploite la nature 3D des ensembles de données IRM pour évaluer les dimensions des tissus, telles que le volume et l’épaisseur, ou le signal en tant que variables continues. Une méta-analyse récente a démontré que l’IRM peut mesurer le changement de la morphométrie quantitative du cartilage de manière fiable et avec une bonne réactivité . Plusieurs mesures quantitatives du cartilage basées sur l’IRM (par exemple, le volume, la surface et le pourcentage de la surface totale de l’os non couverte par le cartilage) peuvent être utilisées, mais la plupart d’entre elles sont fortement liées, et il semble que certaines soient redondantes ou contiennent des informations supplémentaires minimales. Buck et ses collègues ont réalisé une étude pour identifier un sous-ensemble efficace de mesures de base qui comprend une description complète de la morphologie du cartilage et de ses changements longitudinaux dans le cartilage sain et malade. L’étude a montré que trois mesures (à savoir l’épaisseur moyenne du cartilage sur la surface totale de l’os sous-chondral, la surface totale de l’os sous-chondral et le pourcentage de la surface dénudée de l’os sous-chondral) expliquent plus de 90 % de la variation transversale et longitudinale d’un ensemble plus large de mesures communes de la morphologie du cartilage dans les genoux avec ou sans arthrose. Se concentrer sur ce sous-ensemble efficace de mesures de la morphologie du cartilage du genou devrait être encouragé dans les études futures.
Une autre stratégie pour une mesure plus efficace de l’épaisseur du cartilage a été proposée par Buck et ses collègues . La sensibilité au changement de l’analyse quantitative du cartilage dans l’arthrose du genou en utilisant l’IRM est compromise par l’hétérogénéité spatiale de la perte de cartilage. Les auteurs ont émis l’hypothèse que la détermination de l’ampleur du changement d’épaisseur indépendamment de la localisation anatomique permettait une meilleure discrimination entre les sujets sains et les participants atteints d’arthrose sur le plan longitudinal. L’étude a montré que cette « approche des valeurs ordonnées » est sensible à l’amincissement du cartilage chez les participants de grade 3 du KL et à l’épaississement du cartilage chez les participants de grade 2 du KL par rapport aux participants de grade 0 du KL. Plus récemment, Wirth et ses collègues ont démontré qu’une « approche étendue des valeurs ordonnées » est plus sensible aux différences dans les taux longitudinaux de perte de cartilage dans les genoux avec et sans JSN de base que les sous-régions anatomiques et la radiographie. Parce qu’elles contournent les défis de la sélection a priori de régions particulières dans les essais cliniques, ces nouvelles méthodes pourraient devenir des outils utiles dans les essais DMOAD.
L’IRM quantitative a été utilisée dans des essais cliniques évaluant l’efficacité du traitement pharmacologique de l’arthrose. Dans une comparaison entre les utilisateurs d’inhibiteurs de la cyclooxygénase-2 et les utilisateurs d’anti-inflammatoires non stéroïdiens classiques, il a été signalé que ce dernier groupe présentait une perte de volume du cartilage du genou plus importante . L’IRM quantitative a également été utilisée dans des études visant à identifier des biomarqueurs pour prédire la progression de l’arthrose. Un remodelage osseux plus important était associé à une réduction de la perte de cartilage, et de faibles niveaux de biomarqueurs du cartilage au départ étaient associés à un taux significativement réduit de perte de volume du cartilage médian. Des valeurs de base plus élevées de l’interleukine-6, de la protéine C-réactive et de la protéine de la matrice oligomérique du cartilage étaient prédictives d’un plus grand risque de perte de volume du cartilage , mais au fil du temps, une réduction des niveaux de métalloprotéinase matricielle (MMP)-1 et de MMP-3 était mieux corrélée à la réduction de la perte de volume du cartilage et à l’effet du traitement DMOAD.
Évaluation de la composition
Le cartilage articulaire hyalin est composé d’un réseau macromoléculaire rempli de fluide qui supporte les charges mécaniques. Ce réseau macromoléculaire est principalement constitué de collagène et de protéoglycanes. Le collagène est la macromolécule la plus abondante, et l’aggrécane, un grand protéoglycane d’agrégation, est la deuxième plus abondante. Dans les articulations normales, le réseau de collagène sert de cadre structurel aux tissus et constitue la principale source de leur résistance à la traction et au cisaillement. Les glycosaminoglycanes sont attachés de manière covalente comme chaînes latérales à la molécule de protéoglycane et présentent d’abondants groupes carboxyle et sulfate chargés négativement. Les glycosaminoglycanes confèrent au cartilage une résistance considérable à la compression. Les protéoglycanes ayant une charge fixe négative nette importante, les ions mobiles tels que le sodium (Na+) et les agents de contraste à base de gadolinium chargés pour l’IRM (par exemple, l’acide gadolinium diéthylène triamine pentaacétique (Gd-DTPA)2-) sont distribués en fonction de la concentration de protéoglycanes dans le cartilage, la concentration de Na+ étant plus faible et celle de Gd-DTPA2- plus élevée dans le cartilage appauvri en glycosaminoglycanes par rapport au tissu normal. Les glycosaminoglycanes associés au collagène et aux protéoglycanes étant importants pour l’intégrité fonctionnelle et structurelle du cartilage, l’IRM de composition du cartilage se concentre sur le contenu en collagène et en glycosaminoglycanes. Les techniques d’IRM permettant d’évaluer les caractéristiques de composition du cartilage articulaire du genou comprennent la cartographie T2, l’imagerie par résonance magnétique du cartilage renforcée par le gadolinium retardé (dGEMRIC), l’imagerie T1 rho, l’imagerie du sodium et l’imagerie pondérée par diffusion (DWI).
La cartographie T2 est peut-être le paramètre le plus étudié pour l’imagerie moléculaire du cartilage. Le T2 est le reflet des interactions entre les molécules d’eau et les macromolécules environnantes et est affecté par de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques liés à l’état du cartilage. Une augmentation focale du temps de relaxation T2 a été associée à des lésions de la matrice du cartilage, notamment à une perte d’intégrité du collagène et à une augmentation de la teneur en eau. Les techniques de cartographie T2 n’utilisent pas d’agent de contraste, se sont révélées cliniquement utiles et sont bien validées et robustes. Les cartes T2 peuvent être utilisées pour surveiller l’efficacité de la réparation du cartilage dans le temps. La cartographie T2 peut être mise en œuvre relativement facilement car un logiciel pour générer des cartes T2 en couleur est maintenant disponible dans des progiciels commerciaux .
T1 rho, comme T2, est sensible aux interactions de l’eau avec les macromolécules. Il a été démontré que T1 rho est en corrélation avec la concentration de protéoglycanes dans le cartilage . Une étude récente a démontré que les changements de T1 rho avec la charge peuvent être liés aux propriétés biomécaniques du cartilage (c’est-à-dire l’élasticité) et peuvent être un outil précieux pour identifier une maladie précoce du cartilage .
La technique d’imagerie par résonance magnétique du cartilage renforcée par le gadolinium retardé (dGEMRIC) repose sur le fait que les glycosaminoglycanes contiennent des chaînes latérales chargées négativement, ce qui entraîne une distribution inverse des molécules d’agent de contraste chargées négativement (comme le gadolinium) par rapport à la concentration de glycosaminoglycanes. Comme la concentration des molécules de Gd-DTPA2- peut être approchée par la mesure du T1, la cartographie T1 du cartilage après administration intraveineuse de Gd-DTPA2- permet une évaluation quantitative du contenu en glycosaminoglycanes . La mesure du T1 après pénétration du Gd-DTPA2- est appelée indice dGEMRIC. Les zones de cartilage présentant un indice dGEMRIC plus faible sont souvent observées dans les articulations où les résultats radiographiques indiquent une arthrose. L’indice dGEMRIC a été validé par rapport aux mesures histologiques et biochimiques de la teneur en glycosaminoglycanes dans des études cliniques. L’indice dGEMRIC peut être utilisé comme technique non invasive pour surveiller la teneur en glycosaminoglycanes du cartilage après réparation par différentes techniques (figure 6). Elle a également montré sa capacité à mettre en évidence des changements dans le cartilage morphologiquement intact qui peuvent être prédictifs de la progression vers l’arthrose. Un récent essai pilote randomisé et contrôlé a montré que la technique dGEMRIC peut être capable de détecter des changements dans la teneur en protéoglycanes du cartilage du genou chez les personnes prenant de l’hydrolysat de collagène après 24 semaines . Les inconvénients de la technique dGEMRIC sont la double dose d’agent de contraste IRM qui est nécessaire et le délai entre l’administration intraveineuse du contraste et l’examen IRM pour permettre une pénétration complète de l’agent de contraste dans le cartilage.
Images IRM des genoux d’un individu sans preuve d’arthrose radiographique (grade 0 de Kellgren-Lawrence). (a) Avant, (b) 3 mois après, et (c) 1 an après la chirurgie de réparation méniscale. L’échelle de couleurs montre que les valeurs augmentent des valeurs les plus basses (gamme rouge-jaune) aux valeurs moyennes-hautes (gamme jaune-vert) au cours de cette période. Ces images démontrent la possibilité de montrer les variations de l’état moléculaire du cartilage, même dans les régions de tissu morphologiquement intact et, comme dans ce cas, de surveiller potentiellement la réparation du cartilage lorsqu’il est soulagé d’un traumatisme ou lors d’une intervention destinée à améliorer l’état biomécanique de l’articulation. dGEMRIC, delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage.
Le sodium est un ion chargé positivement naturellement abondant qui va se répartir dans le cartilage proportionnellement à la concentration de molécules de glycosaminoglycanes chargées négativement. L’IRM du sodium a donné des résultats prometteurs dans l’évaluation de la composition du cartilage articulaire. Elle peut représenter les régions de déplétion en protéoglycanes, qui présentent une intensité de signal plus faible que les zones de cartilage normal. Ainsi, l’IRM du sodium peut être utile pour différencier le cartilage dégénéré au stade précoce du cartilage normal. Bien que l’IRM au sodium soit très spécifique et ne nécessite pas d’agent de contraste exogène, elle requiert des capacités matérielles particulières (multinucléaire), des bobines de radiofréquence spécialisées (émission/réception) et probablement des séquences 3D à TE ultra-court. Ces défis limitent actuellement l’utilisation de l’IRM sodium dans un cadre clinique.
Enfin, la DWI du cartilage est basée sur le mouvement des molécules d’eau dans le cartilage. L’ampleur et la direction de la diffusivité locale des tissus sont liées à l’environnement macromoléculaire de la diffusion de l’eau en vrac. La diffusion de l’eau dans le cartilage articulaire reflète la structure biochimique et l’architecture du tissu. Le coefficient de diffusion apparent (ADC) est faible pour des temps de diffusion longs dans le cartilage sain car la diffusion des molécules d’eau est limitée par les composants du cartilage. Cependant, la rupture de la matrice du cartilage entraîne une mobilité accrue de l’eau, ce qui augmente les valeurs ADC du cartilage. Une étude récente de la DWI dans l’évaluation de la réparation du cartilage, comme l’implantation de chondrocytes autologues in vivo, a signalé une bonne sensibilité pour le suivi des changements dans le comportement de diffusion des implants au fil du temps. Les deux dernières techniques (à savoir l’imagerie sodique et la DWI) en sont encore à leurs débuts ; à notre connaissance, aucune étude clinique d’envergure utilisant l’une ou l’autre de ces techniques chez des patients souffrant d’arthrose du genou ou de réparation du cartilage du genou n’a été publiée. Cependant, le domaine de l’IRM de composition semble avoir un grand potentiel pour améliorer notre compréhension de l’arthrose et pour le développement de traitements modificateurs de la maladie.
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